Dichtheitsprüfung von elektrischen Steckverbindern

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Anwendung der Leckratenformel

Ein elektronisches Gehäusemodul hat ein befüllbares Innenvolumen von 180 cm³. Hinzu kommen noch insgesamt 20 cm³ für die pneumatische Messleitung und die Adaption. Somit beträgt das effektive Prüfteilvolumen 200 cm³. Soll bei einem Prüfdruck von 1 bar (positiver Überdruck bezogen auf Atmosphärendruck) eine Leckrate von 1 ml/min erkannt werden, muss das Prüfgerät in der Lage sein, einen zeitlichen Druckverlust von 8,3 Pa/s sicher aufzulösen. Beträgt die Messzeit 5 s, entspricht dies einem Druckabfall von ca. 42 Pa.

Die Leckratenformel zeigt: Der zeitliche Druckverlust ist um so geringer, je größer das befüllbare Prüfteilvolumen. Sind zudem die erlaubten Leckraten gering, kann der Fall eintreten, dass der Druckverlust innerhalb der Auflösungsgrenzen des Drucksensors liegt und somit keine prozesssichere Unterscheidung von Gut- und Schlechtteilen möglich ist. Durch den Einsatz von Füllkörpern oder Abdichtdornen lässt sich unter Umständen das befüllbare Prüfteilvolumen verringern und so das messtechnisch verwertbare Signal deutlich vergrößern. Derartige Aspekte sind schon bei der Konzeption des Prüfvorgangs im Rahmen der technischen Machbarkeitsanalyse zu beachten.

Grenzen

Mit dem Prüfmedium Druckluft und der Differenzdruckmethode lassen sich bei kleinvolumin-gen Prüfteilen Luftleckraten von Q_L = 10^-3 mbar*l/s (= 0,06 ml/min) nachweisen. Damit ist Druckluft als Prüfmedium für viele industrielle Anwendungen einsetzbar. Wenn deutlich höhere Anforderungen an die zulässige Leckrate gestellt werden (z.B. Bakteriendichtheit

Q_L = 10^-4 mbar*l/s, Virendichtheit Q_L = 10^-6 bis 10^-10 mbar*l/s, Gasdichtheit Q_L = 10^-7 mbar*l/s, sind aufwändigere und kostenintensivere Prüfverfahren notwendig (z.B. Einsatz von Wasserstoff-, Helium-Detektoren oder Massenspektrometer).

Praxisbeispiel

Dieser Steckverbinder wird als Verbindungselement zwischen Kabelbaum und Elektronik in-nerhalb des Getriebes in PKW-Automatikgetrieben eingesetzt. Dort ist er einseitig mit Öl be-ziehungsweise mit Ölnebel bei hoher Öltemperatur belastet.

Dieser Steckverbinder wird mit der Druckverlustmethode innerhalb von weniger als 10 s Ge-samtprüfzeit auf Dichtheit geprüft und dabei mit einem Prüfdruck von kleiner 1 bar beauf-schlagt. Die zulässige Luftleckrate liegt bei 1 ml/min. Ein vollständiger Prüfzyklus besteht aus den Phasen Füllen, Stabilisieren, Messen und Entlüften. Die Messzeit beträgt nur 1 s. Typi-sche Dichtteile zeigen einen Druckverlust von 6 Pa/s. Der der zulässigen Leckrate ent-sprechende Druckverlust liegt bei circa 60 Pa/s.

Messmittelfähigkeit

Bei Steckverbindern, die in kritischen Bereichen eingesetzt werden, ist zum Nachweis der Prozesssicherheit des Prüfprozesses meist die Messmittelfähigkeit auf der Grundlage des Messmittelfähigkeitsindex C_g nachzuweisen. Üblich sind hierbei C_g-Werte von 1,33 bis 1,67.

Der Fähigkeitsindex dient der Beurteilung der Prüffähigkeit einer Prüfvorrichtung und ist ein Maß für die Wiederholgenauigkeit. Er wird auf der Basis einer statistischen Auswertung er-mittelt. Hierbei werden in der Praxis 25 Messungen mit einem Dichtteil und anschließend 25 Messungen mit dem Dichtteil sowie einem zusätzlich in den Messkreis geschalteten Testleck durchgeführt. Der Durchflusswert des kalibrierten Testlecks ist so gewählt, dass er der zulässigen Leckrate entspricht. Hiermit wird ein grenzwertiges Schlechtteil nachgestellt. Zwischen den jeweiligen Einzelmessungen ist ein hinreichend großer zeitlicher Abstand einzuhalten, da die Messungen sonst durch thermische Effekte (beispielsweise Erwärmung bei Befüllung, Abkühlung bei Entlüftung) beeinflusst werden. Mit diesen Messungen soll der in der Praxis auftretende Fall der jeweils wechselnden und neu adaptierten Prüfteile simuliert werden. Quantitativ wird der C_g-Wert durch folgende Beziehung beschrieben:

C_g = 0,2 T / 6 s

Unter der Toleranz T versteht man den Abstand der Mittelwerte der Messwertverteilung mit einem Masterdichtteil vom Mittelwert der Messwertverteilung mit Masterteil und zusätzlich zugeschaltetem Testleck. Die Standardabweichung s wird aus der Verteilung der Messwerte der grenzwertigen Schlechtteile berechnet. Mithilfe des C_g-Wertes lässt sich auf objektive Weise beurteilen, ob sich der Prüfprozess durch geringe Messwertstreuung und prozesssichere Wiederholgenauigkeit auszeichnet, das heißt, ob sich Gut- und Schlechtteile klar trennen und bewerten lassen. Beispiele für Messwertverteilungen zu unterschiedlichen C_g-Werten sind in im Bild 4 dargestellt.

* * Dr. Joachim Lapsien... verantwortet die Vertriebsabteilung und ist Leiter des DKD-Kalibrierlaboratoriums bei CETA Testsysteme in Hilden.

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